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(1)ˆ LIMITADOR ELETRONICO DE CORRENTE DE CURTO–CIRCUITO BASEADO EM CIRCUITO RESSONANTE CONTROLADO POR ˆ DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTENCIA. Disserta¸cão de Mestrado. Universidade Federal de Juiz de Fora Faculdade de Engenharia Programa de Pós-Gradua¸cão em Engenharia Elétrica. Autor: Matusalém Martins Lanes Orientador: Prof. Pedro Gomes Barbosa. JUIZ DE FORA, MG - BRASIL AGOSTO 2006.

(2) ˆ LIMITADOR ELETRONICO DE CORRENTE DE CURTO–CIRCUITO BASEADO EM CIRCUITO RESSONANTE CONTROLADO POR ˆ DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTENCIA. ´ MARTINS LANES MATUSALEM. ˜ DE MESTRADO SUBMETIDA AO PROGRAMA DE POS–GRA´ DISSERTAC ¸ AO ˜ EM ENGENHARIA ELETRICA ´ DUAC ¸ AO DA FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA COMO PARTE DOS REQ´ ˜ DO GRAU DE MESTRE EM ENUISITOS NECESSARIOS PARA A OBTENC ¸ AO ´ GENHARIA ELETRICA.. Aprovada por:. Prof. Pedro Gomes Barbosa, D.Sc. (Orientador). Prof. Edimar José de Oliveira, D.Sc.. Prof. Paulo Augusto Nepomuceno Garcia, D.Sc.. Prof. Antonio Carlos Siqueira de Lima, D.Sc.. JUIZ DE FORA, MG - BRASIL AGOSTO DE 2006..

(3) i. Dedico este trabalho à minha esposa, Renata Cristina, pela compreens˜ ao, paciência, apoio e dedica¸c˜ ao oferecidos. ` minha filha, Lu´ıza Helena, por se tornar A uma das grandes motiva¸c˜ oes para a conclus˜ ao deste trabalho. ` meus pais Celso Lanes e Zilma Martins Lanes A pela confian¸ca e total apoio que sempre tem demonstrado no curso de toda minha vida..

(4) Agradecimentos. Ao meu orientador, Prof. Pedro Gomes Barbosa, pela oportunidade de desenvolver uma pesquisa tão interessante e motivadora e que me possibilitou visualizar uma rela¸cão muito importante entre a pesquisa e o ensino. Pela amizade e oportunidades de troca de informa¸co˜es e pelas observa¸cões e conselhos a mim oferecidos durante todo o tempo em que este trabalho foi desenvolvido. Aos professores da área de Instrumenta¸cão & Controle do Curso de Mestrado em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Juiz de Fora que de forma direta e indireta contribu´ıram para fortalecer minha forma¸cão cient´ıfica. Ao Centro Federal de Educa¸cão Tecnológica de Minas Gerais (CEFET-MG), Unidade de Leopoldina, pela licen¸ca concedida para a realiza¸caõ desse trabalho. ` colega Profa . Olga M. Toledo pelo incentivo e aos meus demais colegas do A Departamento de Eletricidade do CEFET que se sacrificaram para compensar minha ausência nas atividades acadêmicas. Aos meus colegas do Curso de Mestrado em Engenharia Elétrica Marlom José do Carmo, Luiz Cláudio G. Lopes e Juciléia Filomena B. Severino pelo companheirismo e esfor¸cos m´ utuos nos mesmos objetivos. ` CAPES pelo apoio financeiro recebido. A. ii.

(5) iii. ´ em vão; achas o que buscas; “Na tua longa viagem te cansas, mas não dizes: E por isso, não te enfraqueces.” Isa´ıas 57:10.

(6) iv Resumo da Disserta¸caõ apresentada ao Programa de Pós-Gradua¸caõ em Engenharia Elétrica da UFJF como parte dos requisitos necessários para obten¸caõ do grau de Mestre em Engenharia Elétrica (M.S.). ˆ LIMITADOR ELETRONICO DE CORRENTE DE CURTO–CIRCUITO BASEADO EM CIRCUITO RESSONANTE CONTROLADO POR ˆ DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTENCIA. Matusalém Martins Lanes Agosto / 2006. Orientador: Prof. Pedro Gomes Barbosa ´ Area de Concentra¸caõ: Instrumenta¸cão e Controle. Esta disserta¸caõ apresenta estudos sobre um limitador eletrônico de corrente de curto-circuito (FCL - Fault Current Limiter ) ressonante controlado por dispositivos semicondutores de potência. Inicialmente são discutidas a opera¸caõ de duas topologias de circuitos ressonantes ideais como limitadores de corrente de curto–circuito. A análise desses circuitos é usada para derivar uma topologia alternativa para o limitador baseada da conexão de um circuito ressonante série e outro paralelo. Modelos digitais implementados no pacote de simula¸cão SimPowerSystem/Matlab são usados para investigar o desempenho do limitador proposto para proteger um sistema elétrico contra correntes de curto–circuito. Fun¸co˜es de transferência dos modelos linearizados dos limitadores são utilizadas para identificar o efeito de cada elemento do FCL sobre sua estabilidade e resposta transitória. Os resultados obtidos são usados para modificar a topologia do FCL com objetivo melhorar sua resposta dinâmica. São investigados também sistemas para deteçcaõ de falhas e falsas falhas e também um sistema de sincronismo e disparo para os tiristores de potência robusto mediante varia¸cões de amplitude e freq¨ uência..

(7) v Abstract of the Dissertation presented to the Program of Electrical Engineering of UFJF as a partial fulfillment of the requirements for Master of Electrical Engineer Degree (M.S.). ELECTRONIC FAULT CURRENT LIMITER BASED ON RESONANT CIRCUIT CONTROLLED BY POWER SEMICONDUCTOR DEVICES. Matusalém Martins Lanes August / 2006. Advisor: Prof. Pedro Gomes Barbosa Concentration Area: Instrumentation and Control. This dissertation presents a study of a resonant fault current limiter (FCL) controlled by power semiconductor devices. Initially the operation of two ideal resonant circuit topologies as fault current limiter are discussed. The analysis of these circuits is used to derive an alternative topology to the fault current limiter based on the connection of a series and a parallel resonant circuit. Digital models are implemented in the SimPowerSystem/Matlab simulation package to investigate the performance of the proposed FCL to protect transmission and distribution electric networks against short circuit currents. Transfer functions of the linear limiter models are used to identify the effect of each element of the FCL over its stability and its transient response. The developed analysis will be used to derive modifications in the FCL topology in such a way to improve their dynamic response. Systems for failures and false failures also are investigated as well as a synchronism and shot system for thyristors of robust power by means of amplitude and frequency variations..

(8) Sum´ ario. 1 Introdu¸c˜ ao. 1. 1.1. Identifica¸caõ do Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2. 1.2. Motiva¸cão do Estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 1.2.1. Estat´ısticas de falhas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 1.2.2. Solu¸co˜es gerais e dispositivos limitadores de curto–circuito . . .. 6. 1.2.3. Aspectos gerais de um limitador . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 1.2.4. Limitadores ressonantes de corrente de curto–circuito . . . . . .. 14. 1.3. Objetivos e principais contribui¸co˜es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16. 1.4. Estrutura do Texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18. 1.5. Lista de publica¸cões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 2 Princ´ıpios B´ asicos do Funcionamento dos FCLs Ressonantes 2.1. 20. Análise das topologias série e paralela ressonantes . . . . . . . . . . . .. 22. 2.1.1. 26. Topologia ressonante série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. vi.

(9) ´ SUMARIO. 2.2. 2.3. vii. 2.1.2. Topologia paralela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 2.1.3. Considera¸co˜es parciais sobre a opera¸caõ de circuitos ressonantes como FCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32. Considera¸co˜es sobre a escolha dos elementos reativos variáveis . . . . .. 34. 2.2.1. Topologia FCL–série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. 2.2.2. Topologia FCL–paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 2.2.3. Custo de conversores eletrônicos destinados a aplica¸cões em sistemas de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39. Conclusões parciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 3 Proposta de topologia s´ erie-paralela ressonante. 43. 3.1. Topologia FCL Série-Paralela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 3.2. Modifica¸caõ da topologia proposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47. 3.3. Dimensionamento da resistência RP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50. 3.4. Aspectos positivos da topologia série–paralela . . . . . . . . . . . . . .. 52. 3.4.1. 3.5. Estabilidade do FCL h´ıbrido e sintonia fina da freq¨ uência de ressonância série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. 3.4.2. Contribui¸caõ de LS e RP na opera¸caõ do FCL . . . . . . . . . .. 53. 3.4.3. Problema da componente cont´ınua na corrente pelo FCL . . . .. 54. 3.4.4. Ressonância subs´ıncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55. Conclusões parciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56. 4 Implementa¸ c˜ ao digital do FCL s´ erie–paralelo ressonante 4.1. Deteçcão de falhas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58 58.

(10) ´ SUMARIO 4.2. 4.3. 4.4. viii. Sincroniza¸cão dos pulsos dos tiristores do FCL . . . . . . . . . . . . . .. 62. 4.2.1. Erros devido às varia¸co˜es da freq¨ uência . . . . . . . . . . . . . .. 64. 4.2.2. Erros devido as varia¸cões da amplitude . . . . . . . . . . . . . .. 65. 4.2.3. Sistema de sincronismo h´ıbrido . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 67. Simula¸co˜es digitais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68. 4.3.1. Falha próxima do FCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 70. 4.3.2. Falha distante do FCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. Conclusões parciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78. 5 Disparo gradual dos tiristores do FCL. 80. 5.1. Modifica¸caõ do controle de disparo dos tiristores . . . . . . . . . . . . .. 81. 5.2. Simula¸co˜es digitais com o algoritmo modificado . . . . . . . . . . . . .. 83. 5.2.1. Falha próxima ao FCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83. 5.2.2. Falha distante do FCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86. Comportamento do FCL para a aplica¸caõ do curto–circuito em diferentes instantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89. 5.3.1. Falhas próximas ao FCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89. 5.3.2. Falhas próximas à carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93. Desempenho do FCL para diferentes atrasos na deteçcaõ da falha . . .. 96. 5.3. 5.4. 5.4.1. Desempenho do FCL conectado a sistemas com distor¸cão harmônica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98. 5.5. Desempenho do FCL para curto–circuito quilométrico . . . . . . . . . . 100. 5.6. Desempenho do FCL na presen¸ca de erros de sincronismo e disparo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.

(11) ´ SUMARIO. ix. 5.7. Considera¸co˜es sobre o dimensionamento dos elementos do FCL . . . . . 106. 5.8. Conclusões parciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107. 6 Conclus˜ oes e trabalhos futuros. 108. 6.1. Conclusões finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108. 6.2. Sugestões de trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110. A Reatˆ ancia vari´ avel controlada por tiristor. 118. B Correntes de curto–circuito. 125. C Instabilidade do circuito RCL ressonante quando R ´ e nulo. 128.

(12) Lista de Figuras. 1.1. Pólo de um disjuntor PVO danificado. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3. 1.2. Reator limitador da subesta¸caõ de Tucuru´ı . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. 1.3. Alguns componentes do dispositivo pirotécnico da ABB . . . . . . . . .. 8. 1.4. Diagrama esquemático do IPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10. 1.5. Estrutura básica de SLCC resistivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11. 1.6. Composi¸caõ básica de SLCC indutivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12. 1.7. Exemplos de estruturas de LTT - Siemens . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 1.8. Diagrama unifilar de um sistema de potência com m´ ultiplos transformadores, um sistema de gera¸caõ disperso e diversos dispositivos FCL. .. 15. Topologias de FCLs baseados em circuitos ressonantes: (a) série e (b) paralela. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22. 2.2. Exemplo da a¸caõ de prote¸co˜es em uma falha t´ıpica. . . . . . . . . . . .. 23. 2.3. TPSCs 500 kV instalados na subesta¸cão em Vincent/USA . . . . . . .. 24. 2.4. Ilustra¸caõ da instala¸caõ de um SCCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 2.1. x.

(13) LISTA DE FIGURAS 2.5. xi. TCSCs instalados na subesta¸cão de BPA’s C.J.Slatt na linha SlattBuckley de 500 kV em Northern Oregon . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 2.6. TCSCs instalados na subesta¸cão de Imperatriz . . . . . . . . . . . . . .. 26. 2.7. TCSCs instalados na subesta¸cão de Serra da Mesa - FURNAS . . . . .. 26. 2.8. Resposta em freq¨ uência da impedância do FCL série para ω◦ = ω1 : (a) magnitude e (b) fase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28. Resposta em freq¨ uência da impedância do FCL série para ω◦ < ω1 : (a) magnitude e (b) fase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 2.10 Resposta em freq¨ uência da impedância do FCL série para ω◦ > ω1 : (a) magnitude e (b) fase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 2.11 Resposta em freq¨ uência da impedância do FCL paralelo para ω◦ = ω1 : (a) magnitude e (b) fase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31. 2.12 Resposta em freq¨ uência da impedância do FCL paralelo para ω◦ < ω1 : (a) magnitude e (b) fase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32. 2.13 Resposta em freq¨ uência da impedância do FCL paralelo para ω◦ > ω1 : (a) magnitude e (b) fase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. 2.14 Resposta em freq¨ uência das impedâncias dos FCLs série e paralelo para os três casos da compara¸caõ de ω◦ com ω1 : (a) magnitude e (b) fase. .. 34. 2.15 Impedância do FCL–série (ZF CL ) em fun¸caõ de Lv e Cv para ω1 = 120π rad/s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. 2.16 Topologia de FCL baseado na conexão de um indutor fixo em série com um TSSC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 2.17 Topologia de FCL baseado na conexão de um capacitor em série com um indutor fixo em paralelo com um TCR. . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 2.18 Impedância do FCL–paralelo (ZF CL ) em fun¸cão de Lv e Cv para ω1 = 120π rad/s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 2.19 Topologia de FCL baseado em um TCSC. . . . . . . . . . . . . . . . .. 38. 2.20 Topologia de FCL baseado na conexão de um indutor fixo em paralelo com um capacitor fixo e dois TSSCs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39. 2.9.

(14) LISTA DE FIGURAS. xii. 2.21 Investimento t´ıpico para FSC, TCSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 3.1. Modelo da topologia série-paralelo do FCL ressonante. . . . . . . . . .. 44. 3.2. Diagrama de pólos e zeros da admitância do FCL para o modo de funcionamento normal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 3.3. Corrente de curto-circuito pela fonte vS . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46. 3.4. Modelo da topologia série-paralelo do FCL ressonante com amortecimento controlado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47. 3.5. Corrente de curto-circuito iS para diferentes valores de RP . . . . . . . .. 48. 3.6. Diagrama de pólos e zeros do FCL no modo de prote¸caõ. . . . . . . . .. 50. 3.7. Corrente por RP para dois valores de resistência distintos (0, 1 Ω e 6, 66 Ω). 51. 3.8. Potência média dissipada na resistência paralela em fun¸cão do valor de RP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 4.1. Detector de curto-circuito implementado por . . . . . . . . . . . . . . .. 61. 4.2. Detector de curto-circuito utilizado neste trabalho. . . . . . . . . . . .. 61. 4.3. Sinais referente à deteçcão da falha: (a) Corrente is pela linha; (b) corrente filtrada e amostrada; (c) sinal de deteçcaõ de falha (f ). . . . .. 62. Correntes nos elementos do FCL para diferentes erros ∆α no ângulo de disparo dos tiristores T1 e T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64. 4.5. Circuito de sincronismo baseado em rampa dupla de integra¸caõ. . . . .. 65. 4.6. Gráficos sobre o princ´ıpio de funcionamento do método de sincronismo baseado em rampa dupla de integra¸caõ: (a) tensão e corrente (b) rampa dupla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66. 4.7. Circuito de sincronismo (PLL) e lógica de disparo dos tiristores. . . . .. 67. 4.8. Modelo do FCL ressonante série-paralelo implementado.. . . . . . . . .. 69. 4.9. Diagrama unifilar simplificado do sistema de potência estudado. . . . .. 70. 4.4.

(15) LISTA DE FIGURAS. xiii. 4.10 Corrente pela fonte vS sem o FCL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71. 4.11 Corrente iS com o FCL conectado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71. 4.12 Corrente pelo indutor LP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72. 4.13 Corrente pelo resistor RP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72. 4.14 Tensão sobre o capacitor C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. 4.15 Tensão sobre o indutor LP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. 4.16 Tensão sobre o indutor LS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 74. 4.17 Tensão sobre o capacitor C e pulsos de disparo dos tiristores T1 e T2 . .. 74. 4.18 Corrente pela fonte vS para o sistema sem o FCL. . . . . . . . . . . . .. 75. 4.19 Corrente pela fonte vS com o FCL conectado. . . . . . . . . . . . . . .. 76. 4.20 Corrente pelo indutor LP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76. 4.21 Corrente pelo resistor RP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76. 4.22 Tensão sobre o capacitor C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. 4.23 Tensão sobre o indutor LP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. 4.24 Tensão sobre o indutor LS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. 4.25 Tensão sobre o capacitor C e pulsos de disparo dos tiristores T1 e T2 . .. 78. 5.1. Circuito de sincronismo (PLL) e lógica de disparo dos tiristores. . . . .. 81. 5.2. Sinais principais e de controle para um caso exemplo: (a) tensão no capacitor, vC , (b) corrente no capacitor, iC , (c) corrente no TCR, iT CR , (d) corrente na fonte, iS , (e) sinal de controle, f , (f) sinal de entrada brusca, EBF , (g) sinal de sa´ıda brusca, SBF , (h) sa´ıda do detector de quadrantes pares, QP , (i) razão entre a freq¨ uência instantânea e a freq¨ uência fundamental, ω/ω0 , (j) sinal da rampa gerada, SRAM P A , (k) sinal de corrente no TCR, siT CR e (l) pulsos nos gatilhos dos tiristores, T1 , T2 . .. 82. Corrente pela fonte vS com o FCL conectado. . . . . . . . . . . . . . .. 84. 5.3.

(16) LISTA DE FIGURAS. xiv. 5.4. Corrente pelo indutor LP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84. 5.5. Corrente pelo resistor RP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84. 5.6. Tensão sobre o capacitor C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85. 5.7. Tensão sobre o indutor LP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85. 5.8. Tensão sobre o indutor LS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85. 5.9. Tensão sobre o capacitor C e pulsos de disparo dos tiristores T1 e T2 . .. 86. 5.10 Corrente pela fonte vS com o FCL conectado. . . . . . . . . . . . . . .. 86. 5.11 Corrente pelo indutor LP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87. 5.12 Corrente pelo resistor RP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87. 5.13 Tensão sobre o capacitor C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88. 5.14 Tensão sobre o indutor LP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88. 5.15 Tensão sobre o indutor LS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88. 5.16 Tensão sobre o capacitor C e pulsos de disparo dos tiristores T1 e T2 . .. 89. 5.17 A¸caõ do FCL para falhas em diversos ângulos (Seq¨ uencia 1 de 3): (a) Falha em 100 ms. (b) Falha em 101, 5 ms. (c) Falha em 103 ms. (d) Falha em 104, 5 ms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90. 5.18 A¸caõ do FCL para falhas em diversos ângulos (Seq¨ uencia 2 de 3): (a) Falha em 106 ms. (b) Falha em 107, 5 ms. (c) Falha em 109 ms. (d) Falha em 110, 5 ms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91. 5.19 A¸caõ do FCL para falhas em diversos ângulos (Seq¨ uencia 3 de 3): (a) Falha em 112 ms. (b) Falha em 113, 5 ms. (c) Falha em 115 ms. (d) Falha em 116, 5 ms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92. 5.20 A¸caõ do FCL para falhas em diversos ângulos (Seq¨ uencia 1 de 3): (a) Falha em 100 ms. (b) Falha em 101, 5 ms. (c) Falha em 103 ms. (d) Falha em 104, 5 ms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93.

(17) LISTA DE FIGURAS. xv. 5.21 A¸caõ do FCL para falhas em diversos ângulos (Seq¨ uencia 2 de 3): (a) Falha em 106 ms. (b) Falha em 107, 5 ms. (c) Falha em 109 ms. (d) Falha em 110, 5 ms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 94. 5.22 A¸caõ do FCL para falhas em diversos ângulos (Seq¨ uencia 3 de 3): (a) Falha em 112 ms. (b) Falha em 113, 5 ms. (c) Falha em 115 ms. (d) Falha em 116, 5 ms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95. 5.23 Corrente iS para uma falha com in´ıcio em 100 ms e término em 330 ms com o FCL presente no sistema porém não atuado. . . . . . . . . . . .. 96. 5.24 Desempenho do FCL para tempos distintos de deteçcaõ da falha: (a) Deteçcaõ com 5 ms. (b) Deteçcaõ com 10 ms. (c) Deteçcaõ com 20 ms. (d) Deteçcão com 40 ms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97. 5.25 Desempenho do FCL para tempo de deteçcão de falha igual a 2, 2 ms. .. 98. 5.26 Corrente iS para considerando as seguintes taxas de distor¸caõ harmônicas distintas na tensão da fonte vS : (a) T HDV = 1, 8%. (b) T HDV = 7, 1%. (c) T HDV = 14, 2%. (d) T HDV = 28, 4%. . . . . . . . . . . . .. 99. 5.27 Corrente pela fonte vS para curto–circuito quilométrico. . . . . . . . . . 100 5.28 Corrente iLP pelo TCR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.29 Corrente iRP pela resistência paralela. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.30 Tensão sobre o capacitor C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.31 Tensão sobre o indutor paralelo LP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.32 Tensão sobre o indutor série LS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.33 Modelo da fonte de erros de sincronismo implementada. . . . . . . . . . 103 5.34 Sinais principais e de controle para casos exemplos de erros no sincronismo e disparo: (a) corrente na fonte iS , (b) corrente no indutor paralelo, iLP , (c) corrente no indutor série, iLS , (d) corrente na resistência paralela, iRP , (e) tensão no capacitor, vC , (f) tensão no indutor paralelo, vLP , (g) tensão no indutor série, vLS , (h) pulsos nos gatilhos dos tiristores, T1 , T2 , (i) sinal identificador de sincronismo, Sinc . . . . . 105 A.1 Circuito t´ıpico de um gradador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119.

(18) LISTA DE FIGURAS. xvi. A.2 Formas de ondas para vS , iS (α = φ) e iS (α = γ) . . . . . . . . . . . . . 119 A.3 Formas de ondas para vS , iS e iS1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 A.4 Comparativo das amplitudes das componentes harmônicas de iS em fun¸caõ do ângulo de disparo α. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 A.5 Comportamento da reatância XLV em fun¸caõ do ângulo de disparo α. . 123 B.1 Simetria das correntes de curto em rela¸caõ ao eixo do tempo. . . . . . . 126 B.2 Corrente de curto–circuito t´ıpica para falhas próximas à gera¸cão. . . . . 126 B.3 Corrente de curto–circuito t´ıpica para falhas distantes da gera¸caõ. . . . 127 C.1 Circuito RLC ressonante alimentado por uma fonte senoidal. . . . . . . 128.

(19) Lista de Tabelas. 1.1. Taxas de faltas em linhas de transmissão CA. . . . . . . . . . . . . . .. 6. 1.2. Classifica¸cão dos principais dispositivos limitadores . . . . . . . . . . .. 7. 2.1. Legendas para as áreas do gráfico da Figura 2.15. . . . . . . . . . . . .. 35. 2.2. Legendas para as áreas do gráfico da Figura 2.18. . . . . . . . . . . . .. 38. 5.1. Composi¸caõ harmônica da tensão da fonte vS para testes de desempenho do FCL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98. 5.2. Parâmetros distribu´ıdos da linha de transmissão de 230 kV. 5.3. Eventos no sistema durante testes de falta de sincronismo. . . . . . . . 104. 5.4. Elementos do FCL para ω◦S = ω◦P = 120π rad/s. . . . . . . . . . . . . 106. xvii. . . . . . . 100.

(20) Gloss´ ario. AT Alta tensão ATP Alternative Transient Program FACTS Sistemas Flex´ıveis de Transmissão em Corrente Alternada (do inglês, “Flexible AC Transmission Systems”) FCL Limitador de Corrente de Curto-Circuito (do inglês, “Fault Current Limiter ”) GCT “Gate Commutated Thyristor ” GATO “Gate Turn-Off Thyristor ” GVO Grande volume de óleo IGBT Transistor Bipolar de Porta Isolada IPC “Interphase Power Controller ” FSC “Fixed Series Capacitors” LTT Tiristor Disparado por Laser (do inglês, “Light Triggered Thyristor ”) ´ MOSFET Transistor de Efeito de Campo de Metal-Oxido Semicondutor MT Média tensão PCHs Pequenas Centrais Hidrelétricas PLL “Phase-Locked Loop” PVO Pequeno volume de óleo RSS Ressonância subs´ıncrona SLCC Supercondutor limitador de corrente de curto–circuito xviii.

(21) GLOSSÁRIO LISTA DE. TABELAS. SCCL “Short-Circuit Current Limiter ” SVC “Static Var compensator ” STATCOM “Synchronous Static Compensator ” TCR “Thyristor-Controlled Reactor ” TCRT Taxa de crescimento da TRT TCSC “Thyristor Controlled Series Capacitor ” THD Taxa de Distor¸cão Harmônica (do inglês, “Total Harmonic Distortion”) TLCC Transformador Limitador de Corrente de Curto–Circuito TPSC “Thyristor Protected Series Compensation” TRT Tensão de Restabelecimento Transitória UPFC “Unified Power Flow Controllers”. xix.

(22) Cap´ıtulo 1. Introdu¸c˜ ao. O. aumento do consumo e da competitividade no comércio de energia elétrica têm levado as empresas do setor de energia elétrica a uma mudan¸ca nas estratégias de planejamento e de opera¸cão de suas redes elétricas. Sistemas de gera¸caõ, de pequena e média capacidades, baseados em centrais de hidro e termoelétricas (Filho & Hartung 2001) e em fontes alternativas de energia, tais como usinas eólicas, painéis solares fotovoltaicos, células combust´ıveis entre outras (de Camargo Salles 2004) e (Carletti, Lopes & Barbosa 2003), tem assumido um papel fundamental para atender rapidamente a sempre crescente demanda de energia. Em paralelo com a utiliza¸cão dessas fontes de energia, tem-se presenciado uma busca por novas tecnologias – como por exemplo, compensadores FACTS (Flexible AC Transmission Systems) (Hingorani 1988), (Watanabe, Barbosa, Almeida & Taranto 1998) e (Paserba n.d.) e “Custom Power ” (Hingorani 1995) – com o objetivo de aumentar a controlabilidade das redes elétricas existentes e a transferência de energia elétrica pelos sistemas de transmissão e distribui¸cão, com elevados ´ındices de qualidade e de eficiência.. 1.

(23) 1.1. Identifica¸ c˜ ao do Problema. 1.1. 2. Identifica¸c˜ ao do Problema. Dentro do cenário descrito anteriormente, os sistemas elétricos tem sido operados próximos dos limites de suas capacidades, com fluxos de potência ativa e reativa elevados, os quais são muitas vezes for¸cados a fluir por vários caminhos em paralelo. Umas das conseq¨ uências diretas desse tipo de opera¸cão é o surgimento de correntes de curto-circuito elevadas pelas linhas de transmissão e distribui¸caõ durante as condi¸co˜es de falha (Monteiro 2005). Essas correntes de curto–circuito, em muitos casos, são muito superiores as capacidades dos dispositivos de prote¸cão atualmente instalados (Tang & Iravani 2005), os quais apresentam limita¸co˜es quanto aos tempos de abertura dos contatos mecânicos e de extin¸caõ do arco entre os mesmos. Além disso, a manuten¸cão de correntes de curto-circuito elevadas por longos per´ıodos pode provocar danos nos equipamentos e cabos conectados à rede elétrica, além de aumentar o risco de acidentes. A Figura 1.1 mostra uma fotografia de um pólo de um disjuntor Pequeno volume de óleo (PVO) danificado devido a interrup¸cão de uma corrente de curto-circuito elevada. Mamede (2004) apresenta alguns procedimentos utilizados no processo de manuten¸cão do sistema elétrico nas empresas deste setor, onde as correntes de curto–circuito são recalculadas periodicamente para verificar as condi¸co˜es dos dispositivos de manobra e prote¸cão. Neste estudo os custos de manuten¸caõ por estratégias muito conservadoras são questionados a fim de se usar novas técnicas para a programa¸caõ da manuten¸co˜es e testes das linhas. Estas medidas são cada vez mais freq¨ uentes e mais caras tendo em vista que os n´ıveis das correntes de curto–circuito tem elevado freq¨ uentemente. Os disjuntores são dispositivos mecânicos de manobra capazes de estabelecer, conduzir e interromper em condi¸co˜es de funcionamento regular do sistema ou mesmo durante um curto–circuito. São várias as caracter´ısticas pelas quais se especifica um disjuntor e dentre elas deve-se dimensioná-lo em fun¸caõ de suas tensão, freq¨ uência e corrente nominais, pelos tempos de interrup¸cão de falhas, interrup¸caõ nominal e abertura nominal, capacidade de interrup¸cão nominal (correntes de curto–circuito), sua capacidade de suportar Tensão de Restabelecimento Transitória (TRT) e Taxa de crescimento da TRT (TCRT). Os estudos para detectar a supera¸caõ de disjuntores quanto a supera¸cão por.

(24) 1.1. Identifica¸ c˜ ao do Problema. 3. Figura 1.1: Pólo de um disjuntor PVO danificado. (Mamede 2004). corrente de carga é feito comparando as correntes de carga fornecidas pelos estudos de fluxo de potência para emergências cr´ıticas e configura¸co˜es futuras devendo ser feita também em todos os equipamentos. Em geral não existem técnicas para resolver este tipo de supera¸cão podendo-se contudo realizar uma investiga¸caõ mais cautelosa das supera¸co˜es identificadas a fim de se verificar se elas ocorreram em condi¸co˜es de emergência levando-se em conta a dura¸caõ das sobrecargas observadas. A supera¸cão dos disjuntores por TRT e TCRT devem ser comparadas com os valores obtidos por estudos em virtude de manobras de abertura de corrente de curto– circuito também para configura¸co˜es futuras. Os estudos são realizados com modelagem dos sistemas e simula¸cão por computador com ajuda, por exemplo, do Alternative Transient Program (ATP). A expansão da rede elétrica contribui com maior distor¸caõ e amortecimento das ondas refletidas o que corresponde a um al´ıvio das solicita¸cões nos equipamentos e instala¸co˜es, porém a eleva¸cão das correntes de curto–circuito exigem maior suportabilidade às ondas reincidentes da TRT dos disjuntores. A TCRT é mais freq¨ uente na supera¸cão de disjuntores que a TRT. Algumas solu¸co˜es podem ser empregadas como o acréscimo de capacitores do lado da fonte par aos casos de faltas terminais ou do outro lado da linha para as faltas quilométricas adicionadas tendo apenas efeito sobre a TCRT e também a inser¸cão de resistores de abertura aos disjuntores superados contribuindo esta tanto na TRT quanto TCRT..

(25) 1.1. Identifica¸ c˜ ao do Problema. 4. Estudos adicionais ainda são necessários para melhor aplica¸caõ destas técnicas como a exata localiza¸caõ para a inser¸caõ deste dispositivos bem como o uso de outras técnicas ´ (da Silva J´ unior, de Oliveira Carvalho & Erica Maria Rodrigues Ferreira 2005). A supera¸caõ dos disjuntores por corrente de curto–circuito é estudada a partir de resultados espec´ıficos para esta situa¸cão e é necessário o conhecimento de todo o conjunto de equipamentos associados ao circuito da subesta¸caõ. Uma etapa inicial para os estudos de supera¸caõ por correntes de curto–circuito considera os piores casos ainda que sejam realizadas avalia¸co˜es simplificadas. Deve-se verificar: (a) se o sistema elétrico na condi¸cão de pré-falta opera nas tensões máximas operativas em cada barra; (b) todas as unidades geradoras são consideradas em opera¸cão simultânea; (c) os sistema elétrico e seus equipamentos operam em condi¸co˜es normais antes da falta; (d) a modelagem não necessita ser de todo os sistemas e (e) as correntes de curto–circuito a serem utilizadas são as de curto–circuito na barra onde o disjuntor está instalado. A norma IEEE STD C37 010-1999 fornece uma indica¸caõ para a corre¸cão da tensão máxima operativa e fator X/R estabelecendo o limite de 70 % da capacidade simétrica de interrup¸cão nominal de correntes de curto–circuito com X/R maior que 17 e 80 % quando X/R é menor que 17. Em uma análise mais detalhada os estudos de supera¸caõ por corrente de curto– circuito devem observar: (a) compara¸caõ da capacidade de interrup¸cão simétrica e assimétrica com a corrente passante; (b) a gera¸caõ é modelada para condi¸caõ de máxima carga; (c) a condi¸caõ pré-falta é modelada para carga máxima; (d) o sistema elétrico é considerado em condi¸cões normais; (e) todos os dispositivos e equipamentos devem estar representados na modelagem e (f) deve-se dar aten¸caõ devida aos elementos shunts, impedâncias m´ utuas de seq¨ uencia zero e de linhas de transmissão (da Silva J´ unior et al. 2005). Segundo Monteiro (2005) as solu¸co˜es para supera¸caõ por correntes de curto– circuito podem ser dividas em duas categorias:. • Solu¸ co ˜es provis´ orias: São op¸cões que permitem uma acomoda¸cão temporária das supera¸cões das capacidades dos equipamentos instalados. A ado¸caõ destas medidas em geral estão associadas a perdas de flexibilidade nas opera¸cões do sistema elétrico e também redu¸caõ da confiabilidade. Algumas destas medidas são: (a.1) seccionamento das barras, (a.2) radializa¸caõ de circuitos, (a.3) desligamen-.

(26) 1.2. Motiva¸ c˜ ao do Estudo. 5. tos seq¨ uenciais de LTs e (a.4) desligamentos de compensadores s´ıncronos, (b.1) altera¸cão do aterramento dos transformadores e (b.2) inser¸caõ de novos equipamentos com impedâncias mais elevadas. As solu¸cões do tipo (a) trazem restri¸co˜es operativas e do tipo (b) necessitam de modifica¸cões na rede; • Solu¸ co ˜es definitivas: Necessitam de estudos mais complexos associados a um longo per´ıodo de planejamento e execu¸cão o que viabiliza o uso prévio das solu¸co˜es provisórias. Podem ser basicamente de dois tipos: (a) recapacita¸cão ou substitui¸cão dos equipamentos superados e (b) Utiliza¸caõ de dispositivos limitadores de corrente de curto–circuito (FCL, DLCC).. Neste trabalho a abordagem da caracter´ısticas de supera¸caõ focam a supera¸caõ por corrente de curto–circuito com a utiliza¸caõ dos limitadores de corrente e falhas.. 1.2. Motiva¸c˜ ao do Estudo. Na se¸caõ anterior foi identificado o problema alvo deste trabalho: “Sistemas elétricos com correntes de curto–circuito com amplitudes elevadas, em muitos casos, superiores às capacidades de interrup¸c˜ ao dos dispositivos de prote¸c˜ ao instalados”.. 1.2.1. Estat´ısticas de falhas. O curto–circuito é uma falha caracterizada por um caminho de baixa impedância entre uma ou mais fases de um circuito elétrico e o condutor neutro ou para terra. Existe também a possibilidade desse caminho de baixa impedância ser formado pelo contato entre duas ou mais fases do circuito elétrico sem a participa¸cão do condutor neutro ou da terra. A Tabela 1.1 mostra as taxas de ocorrência de falhas em linhas de transmissão CA com diferentes n´ıveis de tensão (de Oliveira, de Abreu, de Carvalho Filho & Gomes 2005). Em todas as faltas apresentadas na Tabela 1.1 as correntes pelos circuitos assumem valores bem superiores aos nominais. Assim, se a falha não for isolada em um tempo curto, equipamentos e cabos do sistema elétrico em que o defeito ocorreu podem ser danificados em conseq¨ uência dos esfor¸cos e potência dissipada devido a circula¸cão.

(27) 1.2. Motiva¸ c˜ ao do Estudo. 6. Tabela 1.1: Taxas de faltas em linhas de transmissão CA. Tens˜ ao 345kV 230kV 138kV. Taxas de falhas 2,31 1,68 2,98. Fase-neutro 91 % 80 % 73 %. Bif´ asica-terra 7% 17 % 17 %. Bif´ asica 1% 1,5 % 6%. Trif´ asica 1% 1,5 % 4%. Taxas de faltas = n´ umero de faltas por 100 km / ano.. de correntes de curto–circuito elevadas. Como exemplo, observe o pólo do disjuntor da Figura 1.1 que foi danificado por operar na interrup¸caõ de correntes acima de sua capacidade.. 1.2.2. Solu¸co ˜es gerais e dispositivos limitadores de curto–circuito. Com objetivo de limitar e até interromper as correntes de curto–circuito pelos sistemas elétricos, tem sido proposto na literatura diversas topologias de limitadores de corrente de falha baseados em diferentes tecnologias (Monteiro 2005), (Otete 2004), (Homrich 2001), (Meyer, Schroder & Doncker 2004), (Group 2003), (Vianelli 2003), (Takemoto, Vianelli, Barbosa & Watanabe 2003) e (Monteiro 2005). A associa¸cão de dispositivos limitadores com os dispositivos de prote¸caõ convencionais (Disjuntores e Relés) aumentam a confiabilidade, eficiência e até postergam a substitui¸caõ destes u ´ltimos. Na Tabela 1.2 são classificados alguns dos principais dispositivos de limitadores de corrente de curto–circuito. Alguns desses limitadores são usados comercialmente enquanto que outros estão em fase de pesquisa e desenvolvimento (Monteiro 2005).. Reatores limitadores de curto–circuito. O uso de reatores limitadores com n´ ucleo de ar é uma solu¸caõ em que se tem boa experiência no setor elétrico. Pode-se dizer que está é uma das mais antigas tecnologias empregada na redu¸caõ das corrente de curto–circuito. Eles são de custo reduzido e ficam introduzidos todo o tempo no circuito. Em virtude dos campos magnéticos elevados os reatores necessitam de espa¸co relativamente grande para sua instala¸caõ, bem superiores às suas dimensões f´ısicas. Seu uso pode ser inviável em virtude das perdas que introduzem nos sistemas que no decorrer de alguns anos podem ser superiores ao.

(28) 1.2. Motiva¸ c˜ ao do Estudo. 7. Tabela 1.2: Classifica¸caõ dos principais dispositivos limitadores de corrente de curto–circuito. Item Dispositivo / Tecnologia 1 Reator com n´ ucleo de ar 2 Dispositivo pirotécnico 3 HVDC convencional1 4 “Interphase Power Controller ” (IPC) 5 Dispositivos com tecnologia FACTS 6 Supercondutores2 7 HVDC3 8 Supercondutores4 9 Disjuntores com abertura rápida5. Est´ agio / Utiliza¸ c˜ ao Comercial / Experiência ampla. Investiga¸caõ / Protótipos. Em fase de pesquisa. Obs.: 1 Baseado em conversor fonte de corrente, 2 Usado em circuitos de baixa e média tensão, 3 Baseado em conversor fonte de tensão, 4 Usado em circuitos de alta tensão, 5 Controlados por chaves semicondutoras de potência.. custo da troca dos dispositivos superados. A Figura 1.2 mostra a foto de um RLC da subesta¸cão de Tucuru´ı que é o maior reator do mundo com impedância de 20 Ω operando na linha de 500 kV .. Figura 1.2: Reator limitador da subesta¸cão de Tucuru´ı. Na referência (DPT.T, DEE.O & DEL.T 2005) são apresentadas as razões que levaram a implanta¸caõ de um reator limitador em conjunto com o seccionamento de barras na subesta¸cão de Tijuco Preto de Furnas..

(29) 1.2. Motiva¸ c˜ ao do Estudo. 8. Dispositivos pirot´ ecnicos. Os dispositivos pirotécnicos podem interromper correntes de curto–circuito elevadas e em tempos bastante reduzidos. O principio básico de sua opera¸caõ é a interrup¸caõ do condutor em seu interior por meio de cargas explosivas e elementos fus´ıveis. Este dispositivo é amplamente utilizado desde a década de 50 mas no Brasil só foi adotada a partir dos anos 90. A Figura 1.3 apresenta as principais partes constituintes de um dispositivo pirotécnico.. Figura 1.3: Alguns componentes do dispositivo pirotécnico da ABB Estes elementos, de acordo com a numera¸cão da figura são: 1. Cilindro isolante; 2. Carga explosiva; 3. Condutor principal; 4. Fus´ıvel; 5. Transformador de pulso. Entre as empresas que utilizam dispositivos pirotécnicos no Brasil pode-se citar a CSN (Companhia Sider´ urgica Nacional), CENIBRA, ARACRUZ, ACESITA, MANESMAN e a CST Steel. Seu uso nestas empresas se dá em razão das mesmas terem introduzido em suas plantas sistemas de cogera¸cão..

(30) 1.2. Motiva¸ c˜ ao do Estudo. 9. HVDC. Existem também os limitadores baseados em elos de corrente cont´ınua como o HVDC convencional (uso de conversores de fonte de corrente) e o HVDC baseado em fontes de tensão. O primeiro utiliza conversores baseados em tiristores enquanto que o segundo, ainda recente, faz uso de chave autocomutadas. Como os sistemas de corrente continua não contribuem para o aumento dos n´ıveis das correntes de curto–circuito ele são atrativos neste aspecto para realizar a interliga¸cão de subsistemas elétricos. Segundo Monteiro (2005) as principais aplica¸co˜es dos novos HVDC são:. • Conexão de pequenas GDs e alimenta¸cão de pequenas cargas locais; • Balan¸co de fluxos de cargas entre alimentadores e controle de carga; • Conexão de redes ass´ıncronas e melhoria na estabilidade de redes interligadas; • Limita¸cão de n´ıveis de curto–circuito.. Uma desvantagem desta tecnologia ainda é seu custo muito elevado devendo ser acrescida de funcionalidades para tornar-se viável.. Disjuntores de abertura r´ apida. Os disjuntores de abertura rápida são também solu¸cões interessantes do ponto de vista de seccionamento pois são fabricados com chaves semicondutoras de potência. Seu uso ainda restrito deve-se também as perdas em regime e podem ser utilizados para reduzir os n´ıveis de curto–circuito permitindo a opera¸caõ adequada dos dispositivos convencionais.. Interphase Power Controllers. São equipamentos desenvolvidos para controlar o fluxo de potência ativa e reativa em interliga¸cões CA, esta tecnologia foi desenvolvida pela ABB em conjunto com a Hydro Quebec - CITEQ. Podem ser aplicados, por exemplo:.

(31) 1.2. Motiva¸ c˜ ao do Estudo. 10. • Interliga¸cões de redes sem modifica¸cão dos n´ıveis de curto–circuito; • Aumento da transferência de potência de instala¸co˜es dotadas de transformador defasador; • Limitadores de corrente de curto–circuito.. A Figura 1.4 ilustra o diagrama básico de um IPC.. Figura 1.4: Diagrama esquemático do IPC Ele é formado por susceptâncias indutivas e capacitivas interligadas em série ´ composto por elementos com elementos defasadores que podem ser transformadores. E convencionais e apresenta uma estratégia original podendo desacoplar as tensões em seus terminais. Sua conexão em série com LTs permite o controle do fluxo de carga e fluxo inverso atenuando a supera¸cão das correntes de curto–circuitos das subesta¸co˜es terminais e redes interligadas.. Supercondutores. Os supercondutores são alvos de intensas pesquisas no campo dos sistemas de potência desde 1986 tendo evolu´ıdo rápido. O aspecto que mais dificultava aplica¸cões com supercondutores eram as temperaturas muito baixas (4 K) nas quais este fenômeno se evidenciava, porém em 1986 foram obtidos resultados com supercondutores em altas temperaturas (77 K) com o uso de nitrogênio l´ıquido. O uso de nitrogênio requer instala¸co˜es mais simples, podendo ser resfriado variando-se pressão ao invés das condi¸co˜es mais rigorosas exigidas com o hélio (Homrich 2001). Os testes para obten¸cão Supercondutor limitador de corrente de curto–circuito (SLCC) tem anunciado excelentes resultados possibilitando consolida¸caõ desta tecnolo-.

(32) 1.2. Motiva¸ c˜ ao do Estudo. 11. gia para os próximos anos. Existem basicamente três tipos de SLCC: os resistivo e o indutivo. Suas caracter´ısticas básicas são:. SLCC resistivo : Trabalha com temperaturas em torno de 77 K e é instalado em série com o sistema elétrico. Na ocorrência de um curto–circuito um três parâmetros que determinam a supercondutividade, temperatura densidade de corrente e campo elétrico, e então o elemento assume caracter´ıstica capaz de limitar a corrente pelo sistema. Um estrutura básica de um SLCC resistivo é apresentada na Figura 1.5 onde são apresentadas as partes principais que o constituem e o criostato é um termostato para baixas temperaturas. A falha porém deve ser. Figura 1.5: Estrutura básica de SLCC resistivo.. interrompida o quanto antes pelos disjuntores para que não seja aumentada de maneira excessiva a temperatura do SLCC. SLCC indutivo : Segundo Monteiro (2005) supercondutor n´ ucleo de ferro blindado é basicamente um pequeno transformador. Seu acoplamento é magnético com o circuito a ser protegido. O enrolamento primário possui é tipicamente normal e similar a um enrolamento convencional. O enrolamento secundário consiste quase sempre de numa u ńica espira de material supercondutor que é um invólucro cil´ındrico. O campo magnético do enrolamento primário é impedido pelo supercondutor de circular pelo n´ ucleo de ferro durante a opera¸cão normal. Se a corrente ultrapassar um valor pré-estabelecido e o campo magnético cr´ıtico superado, então uma impedância elevada se estabelece no dispositivo limitando acorrente de curto-circuito. A Figura 1.5 mostra os componentes básicos de um SLCC indutivo..

(33) 1.2. Motiva¸ c˜ ao do Estudo. 12. Refrigerador. Resfriamento Supercondutor Enrolamento primário. Núcleo de ferro. Criostato. Figura 1.6: Composi¸caõ básica de SLCC indutivo.. Da mesma forma que o SLCC resistivo, após uma a¸cão de limita¸cão o SLCC indutivo necessita da a¸caõ do disjuntor para que o corrente de curto–circuito seja interrompida e ele possa ser novamente resfriado.. Sistemas Flex´ıveis de Transmiss˜ ao em Corrente Alternada (FACTS). Hingorani (1988) propôs o uso intensivo de conversores eletrônicos de potência em sistemas elétricos. A proposta apresenta melhorias na controlabilidade e flexibilidade dos sistemas de potência. Os dispositivos baseados na tecnologia FACTS ocupam espa¸cos importantes nos sistemas elétricos permitindo melhorias com suas utiliza¸co˜es. Contudo os custos e exigências para instala¸caõ e opera¸cão destes equipamentos ainda são elevados, porém a capacidade de um mesmo dispositivo realizar m´ ultiplas fun¸cões é um fator motivador. Alguns dispositivos FACTS são apresentados abaixo:. • Compensadores estáticos (SVC-Static Var Compensator ); • Reator controlado por tiristor (TCR-Thyristor Controlled Reactor ); • Capacitor chaveado por tiristor (TSC-Thyristor Switched Capacitor );.

(34) 1.2. Motiva¸ c˜ ao do Estudo. 13. • Capacitor série chaveado por tiristor (TSSC-Thyristor Switched Series Capacitor ); • Capacitor série controlado por tiristor (TCSC-Thyristor Controlled Series Capacitor ); • Transformador defasador (PST-Phase Shifter Transformer ); • Compensador s´ıncrono estático (STATCOM-Static Synchronous Compensator ); • Compensador s´ıncrono estático série (SSSC-Static Synchronous Series Compensator ); • Controlador universal de fluxo de potência (UPFC-Unified Power Flow Controller );. As fun¸cões destes equipamentos podem ser associadas às aplica¸co˜es:. • Controle do fluxo de potência ativo e reativo pelas linhas de transmissão; • Amortecimento de oscila¸co˜es eletromecânicas; • Aumento da capacidade de transmissão; • Limita¸cão das correntes de curto–circuito.. 1.2.3. Aspectos gerais de um limitador Independente da tecnologia adotada espera-se que um dispositivo de prote¸cão. de curto–circuito tenha as seguintes caracter´ısticas básicas (Karaday 1992):. i. Diferen¸ca de potencial nula entre seus terminais no modo de opera¸cão normal (sem falhas detectadas); ii. Apresente uma alta impedância no modo de prote¸cão; iii. Entre em opera¸caõ “instantaneamente” (antes do primeiro pico da corrente de falha);.

(35) 1.2. Motiva¸ c˜ ao do Estudo. 14. iv. Reduza a corrente de falha no regime transitório; v. Elimine a componente CC da corrente de falha; vi. Seja capaz de interromper a corrente de falha de regime permanente.. Este trabalho irá focar as topologias de dispositivos limitadores de correntes de curto–circuito (FCLs) baseados em circuitos ressonantes e controlados por dispositivos eletrônicos de potência.. 1.2.4. Limitadores ressonantes de corrente de curto–circuito. A idéia de usar circuitos LC ressonantes, controlados por dispositivos eletrônicos, atuando como dispositivos Limitador de Corrente de Curto-Circuito (FCL) na prote¸cão de sistema elétricos não é recente. Alguns dos princ´ıpios básicos deste tipo de prote¸caõ são encontrados em (Karaday 1991) e (Karaday 1992). A motiva¸caõ em utilizar circuitos ressonantes, controlados por dispositivos eletrônicos, é explicada pelo fato destes circuitos poderem ser controlados para apresentarem uma baixa impedância durante o seu funcionamento em regime permanente. Contudo, quando é detectado um defeito no sistema, o FCL é for¸cado a aumentar sua impedância interna, limitando a corrente de curto-circuito, protegendo o circuito elétrico ao qual está conectado. Será dada ênfase às topologias de FCL que usam em sua estrutura tiristores de potência. Esta escolha se deve ao fato destes semicondutores serem os de maior capacidade dispon´ıveis no mercado atualmente (Mohan, Undeland & Robbins 2003). Eles são também facilmente conectados em série e em paralelo formando válvulas de maior capacidade, existindo ainda uma versão denominada de Tiristor Disparado por Laser (LTT) (Figura 1.7). Estas duas u ´ltimas caracter´ısticas são interessantes para aplica¸co˜es em alta potência, onde o isolamento do circuito de disparo e as tensões envolvidas são cr´ıticos sendo necessário garantir a independência dos circuitos. Contudo, desde que os sistemas sejam compat´ıveis com suas limita¸co˜es de opera¸cão, nada impede que sejam usadas chaves autocomutadas tais como: GTOs (“Gate Turn-off Thyristors”), IGCTs (“Integrate Gate Commutated Thyristors”) e IGBTs (“Insulated Gate Bipolar Transistors”) (Steimer, Gr¨ uning, Werninger & Schröder 1994) e.

(36) 1.2. Motiva¸ c˜ ao do Estudo. 15. LTT. Grupo de válvula (aplicação FACTS). Light-Triggered Thyristor. Módulo Tiristor. Figura 1.7: Exemplos de estruturas de LTT - Siemens. (Takahash, Yoshikawa, Soutome, Fujii, Ichijyou & Seki 1996). Estas chaves semicondutoras tem capacidade de controlar tanto os instantes de in´ıcio de condu¸cão quanto os instantes de corte através de sinais elétricos aplicados em seus terminais de “gate”. A Figura 1.8 mostra um diagrama esquemático de uma subesta¸caõ de energia elétrica com duas linhas de alimenta¸caõ (L1 e L2 ), três ramais de sa´ıda (R1 , R2 e R3 ), um sistema de gera¸cão disperso, diversos dispositivos FCLs e dois barramentos (B1 e B2 ) interligados através da chave S.. Figura 1.8: Diagrama unifilar de um sistema de potência com m´ ultiplos transformadores, um sistema de gera¸cão disperso e diversos dispositivos FCL..

(37) 1.3. Objetivos e principais contribui¸ co ˜es. 16. Nessa figura a localiza¸cão dos FCLs foi escolhida de forma arbitrária, porém seus tempos de opera¸caõ devem ser coordenados para garantir a máxima prote¸caõ contra falhas (Tang & Iravani 2005). A modifica¸cão da caracter´ıstica entre as condi¸co˜es de baixa e alta impedância, ou seja, entre a opera¸cão normal e a opera¸cão como limitador, é conseguida variando a freq¨ uência de ressonância do FCL. Esse controle é poss´ıvel através da utiliza¸cão de elementos reativos variáveis, sintetizados com indutores e capacitores chaveados por dispositivos semicondutores de potência.. 1.3. Objetivos e principais contribui¸c˜ oes. Como discutido na se¸cão anterior, a manuten¸caõ de correntes de curto-circuito elevadas por longos per´ıodos pode provocar danos aos equipamentos além de aumentar o risco de acidentes. A utiliza¸caõ de FCLs combinada com dispositivos de prote¸cão convencionais (disjuntores e relés) pode reduzir os tempos de atua¸caõ das prote¸cões, mantendo a continuidade do fornecimento de energia elétrica e a estabilidade do sistema de potência. A literatura apresenta diversas solu¸co˜es e propostas para limitadores baseados em tecnologias, materiais e topologias distintas. Dentro desta diversidade se encontram os limitadores LC ressonantes em especial baseados nas topologias básicas série e paralela, porém nesta disserta¸caõ alguns aspectos da opera¸caõ de limita¸caõ de corrente de curto–circuito são estudados e convergem para a proposta de uma nova topologia. Estes aspectos estudados levaram a resultados importantes para condu¸caõ da pesquisa desenvolvida sendo alguns deles apresentados como revisão bibliográfica no decorrer do texto e outros formatados de modo a facilitar certas conclusões. Desse modo, os principais objetivos deste trabalho são:. i. Estudar a opera¸cão de circuitos ressonantes série e paralelo, formados pela conexão de indutores e capacitores (LC), como limitadores de corrente de curto–circuito; ii. Agregar informa¸co˜es para o dimensionamento otimizado dos elementos reativos dos limitadores LC ressonantes; iii. Estudar fatores associados aos limitadores de corrente de curto–circuito, baseados em topologias LC ressonantes, que retardam sua própria a¸caõ de prote¸cão e.

(38) 1.3. Objetivos e principais contribui¸ co ˜es. 17. prejudicam o sistema durante opera¸cão em regime permanente, propondo solu¸co˜es para os casos analisados; iv. Apresentar uma topologia h´ıbrida, série–paralela, a partir dos estudos das topologias básicas que combine as melhores caracter´ısticas das topologias básicas estudadas; v. Desenvolver modelos matemáticos simplificados no dom´ınio da freq¨ uência complexa– s para avaliar o efeito de cada elemento das topologias e também da estabilidade do limitador; vi. Implementar modelos digitais usando o pacote “SimPowerSystem/Matlab” que serão usados para testar a eficiência do FCL na redu¸caõ de correntes de curtocircuito em um sistema de potência; vii. Analisar o comportamento da topologia proposta submetidas à presen¸ca de componentes harmônicas; viii. Desenvolver um circuito de sincronismo e disparo capaz de operar em condi¸co˜es onde a amplitude e a freq¨ uência do sinal de referência são variáveis; ix. Agregar ao limitador um sistema de deteçcaõ de falhas com fun¸caõ de seletiva de eventos.. As principais contribui¸co˜es deste trabalho consistem na proposta de uma topologia h´ıbrida, série–paralela, acrescida de uma resistência paralela com o reator série. Na topologia proposta foi adicionado um bloco de controle para a deteçcaõ de falhas capaz classificar alguns eventos t´ıpicos de um sistema elétrico. Também foi desenvolvido um circuito de sincronismo e disparo robusto capaz de operar adequadamente sob varia¸cões na freq¨ uência e amplitude do sinal de interesse. Tal circuito aproveita caracter´ısticas dos “Phase-Locked Loop” (PLL) e também da ”Dupla rampa de integra¸caõ”. São inseridas discussões sobre a necessidade de robustez, precisão e conseq¨ uências de opera¸caõ inadequada destes circuitos no desempenho do FCL. Foi desenvolvido um modelo matemático que permite avaliar o efeito da inser¸caõ da resistência paralela com o reator série. A utiliza¸caõ do modelo desenvolvido permite determinar o valor cr´ıtico para o resistor para obter uma melhor resposta dinâmica do dispositivo..

(39) 1.4. Estrutura do Texto. 1.4. 18. Estrutura do Texto Este trabalho está estruturado da seguinte maneira: No Cap´ıtulo 2 são discutidas as caracter´ısticas básicas dos circuitos ressonantes. em suas topologias série e paralela. São apresentados alguns aspectos referentes ao dimensionamento dos elementos reativos e algumas técnicas de s´ıntese baseadas em tiristores de potência. Em seguida, são feitas algumas análises das correntes de curto– circuito e apresentadas algumas desvantagens observadas nas topologias básicas. No Cap´ıtulo 3 é apresentada a topologia série–paralela proposta neste texto e é desenvolvido um modelo linear para o limitador baseado em fun¸co˜es de transferência. São apresentados alguns resultados de simula¸co˜es digitais cujas as análises permitirão realizar corre¸cões nos modelos de limitadores apresentados nos cap´ıtulos posteriores. No Cap´ıtulo 4 é implementado um modelo digital com componentes lineares e não–lineares contidos no pacote de simula¸caõ “SimPowerSystem/Matlab”. O FCL proposto neste cap´ıtulo se baseia em s´ıntese de reatância através de tiristores de potência, podendo portanto ser aplicada em sistemas elétricos com potências elevadas. O limitador é submetido a falhas próximas e distantes do seu local de instala¸caõ. Neste cap´ıtulo são desenvolvidos modelos para deteçcão de falhas com a¸caõ classificatória ´ desenvolvido também um de eventos da rede, de forma a distinguir falsas falhas. E modelo de sincronismo e disparo para tiristores submetidos a varia¸co˜es na amplitude e freq¨ uência do sinal de referência. No Cap´ıtulo 5 são apresentadas modifica¸cões na estratégia de disparo dos tiristores, com a finalidade de atenuar as componentes cont´ınuas das tensões e das correntes nos elementos do limitador durante a ocorrência de uma falha. O desempenho do limitador é também investigado para falhas aplicadas em diferentes pontos do per´ıodo da corrente senoidal, além de atrasos provocados no sistema de deteçcaõ da falha. O desempenho do limitador é também investigado quando o sistema de potência tem harmônicos. Seu comportamento dinâmico em casos de curto–circuito quilométrico e mediante erros de sincronismo e disparo são verificados neste cap´ıtulo. No Cap´ıtulo 6 é apresentado um comparativo final entre as topologias propostas e as topologias básicas ressonantes bem como as conclusões observadas a partir dos resultados encontrados. Aponta para aprimoramentos e desdobramentos poss´ıveis a.

(40) 1.5. Lista de publica¸ c˜ oes. 19. curto prazo em rela¸caõ a pesquisa desenvolvida. No Apêndice A é apresentado um resumo com as caracter´ısticas básicas do “Thyristor-Controlled Reactor ” (TCR), fazendo uma abordagem de como é realizado o controle da reatância indutiva em seus terminais a partir da varia¸cão do ângulo de disparo dos tiristores. No Apêndice B é apresentado um resumo sobre os tipos de curto–circuito mais comuns e a forma da corrente elétrica em alguns casos. No Apêndice C é apresentado a demonstra¸caõ matemática da instabilidade do circuito série RLC para R nulo.. 1.5. Lista de publica¸co ˜es. A seguir são apresentadas a lista das publica¸co˜es resultantes deste trabalho de pesquisa.. [1] Lanes, Matusalém M., Henrique A. C. Braga & Pedro G. Barbosa (2006), “Limitador de corrente de curto–circuito baseado em circuito ressonante controlado por dispositivos semicondutores de potência”, (IEEE Latin-America Transaction). (aceito para publica¸c˜ ao) [2] Lanes, Matusalém M., Pedro G. Barbosa & Henrique A. C. Braga (2006), “Limitador eletrônico de corrente de curto–circuito baseado em circuito ressonante série-paralelo”, Anais do XVI Congresso Brasileiro de Automática - CBA’2006, Salvador, Bahia, Brasil..

(41) Cap´ıtulo 2. Princ´ıpios B´ asicos do Funcionamento dos FCLs Ressonantes. N. este cap´ıtulo serão analisadas as caracter´ısticas básicas de duas topologias de. circuitos LC ressoantes, uma série e outra paralela. Serão discutidas as capacidades, em regime permanente, destes circuitos operarem como limitadores de corrente de curto–circuito, destacando as vantagens e desvantagens observadas. A utiliza¸cão de reatores série, a seco e imerso em óleo, (Nogueira & Jr. 1999) para limitar correntes de curto–circuito é bastante difundida nos sistemas elétricos em Alta tensão (AT) e Média tensão (MT). Algumas empresas de energia elétrica já consideram o uso de reatores uma solu¸caõ definitiva (DPT.T et al. 2005) e a um custo relativamente baixo. As principais desvantagens associadas a opera¸cão dos reatores série são: (i) perdas por efeito Joule elevadas, (ii ) queda de tensão entre os terminais do reator, (iii) grande volume e (iv ) indu¸caõ e interferência eletromagnética em estruturas metálicas e equipamentos próximos. Os reatores a seco e a óleo possuem boa eficiência em geral mas algumas caracter´ısticas se evidenciam mais quando utilizados como limitadores de corrente de curto– circuito (Nogueira & Jr. 1999).. 20.

(42) 21 A vantagem que mais se destaca no reator a seco é sua robustez, podendo ser instalados ao tempo ou serem abrigados. Permitem inspe¸cão visual, não apresentam satura¸caõ e são não inflamáveis e com m´ınima necessidade de manuten¸cão. Como desvantagens, destacam-se o intenso campo eletromagnético associado a sua opera¸cão, exigem portanto maior espa¸co f´ısico para seguran¸ca e para que não haja indu¸caõ e interferência eletromagnética em estruturas metálicas e equipamentos próximos e também deve ser instalado em local ventilado. Sua instala¸caõ deve ser refor¸cada tendo em vista os elevados esfor¸cos mecânicos durante um curto–circuito. Adota-se a regra geral de que seu afastamento é da ordem de 1/3 de seu diâmetro. Em razão do exposto, ainda que ele possua menores dimensões, ele pode requerer espa¸co até mesmo superior a um reator a óleo. Os reatores a óleo são constru´ıdos observando a imersão de seu enrolamento em óleo, sua montagem deve evitar a presen¸ca de ferro no circuito magnético. Sua principal vantagem é a ausência de polui¸cão ambiental devido à blindagem do tanque que o comporta. Sua instala¸cão pode ser feita próxima a outros equipamentos no que diz respeito às interferências e indu¸cão eletromagnética. Como desvantagem destacamse a rigorosa manuten¸caõ e supervisão de diversas variáveis para garantir a opera¸caõ segura do equipamento, como ventila¸caõ, temperatura, pressão interna , estruturas de amostragem do óleo etc. Por fim, uma das maiores desvantagens também é seu peso muito elevado, o que dificulta sua instala¸cão em subesta¸co˜es já existentes e também seu remanejamento. Seu custo inicial é menor, porém seu peso (em torno de três vezes mais que o reator a seco) e manuten¸cões necessários o tornam uma op¸cão mais cara. O uso de reatores como limitadores de corrente de curto–circuito já é uma op¸cão bastante interessante, porém ainda apresentam certas desvantagens como descrito anteriormente. Desse modo, pesquisas buscam por dispositivos de prote¸caõ que possam também oferecer menores exigências em suas opera¸cões, tanto em regime de funcionamento normal, onde suas presen¸cas não interfiram significativamente no sistema elétrico. Já durante uma falha eles devem promover redu¸caõ efetiva da corrente de falha. A opera¸caõ dos circuitos ressonantes como FCLs é baseada no fato destes circuitos poderem ter suas impedâncias internas modificadas, desde valores muitos baixos até elevados, a partir da varia¸caõ de suas freq¨ uências de ressonância. Contudo, para.

(43) 2.1. An´ alise das topologias s´ erie e paralela ressonantes. 22. que esse controle seja poss´ıvel, deve-se variar as reatâncias indutiva e capacitiva do circuito LC. Assim sendo, este cap´ıtulo irá discutir também as principais formas de sintetizar elementos reativos variáveis a partir da utiliza¸caõ de tiristores de potência. Outro aspecto que também será abordado neste cap´ıtulo diz respeito ao dimensionamento dos elementos reativos que compõe o FCL ressonante. Os resultados obtidos fornecem subs´ıdios para dimensionamento dos elementos do FCL. Os resultados obtidos aqui serão usados para derivar uma topologia h´ıbrida que será apresentada e discutida em detalhes do Cap´ıtulo 3 ao Cap´ıtulo 5.. 2.1. An´ alise das topologias s´ erie e paralela ressonantes A Figura 2.1 mostra dois circuitos LC ressonantes, um série e outro paralelo,. conectados entre uma fonte senoidal vS , cuja freq¨ uência angular fundamental é ω1 , e uma carga. O sub´ındice (v ) associado a indutância e a capacitância dos FCLs indicam que esses elementos podem ter seus valores variados. Essa nomenclatura irá facilitar as análises que serão apresentadas adiante.. iS. FCL. FCL. iS. Lv. Cv. vS. carga. (a). vS. Lv Cv carga. (b). Figura 2.1: Topologias de FCLs baseados em circuitos ressonantes: (a) série e (b) paralela.. Quando um curto-circuito é detectado no sistema da Figura 2.1 pode-se variar a freq¨ uência de ressonância do circuito LC para modificar o valor da impedância interna do FCL (ZF CL ) e limitar a corrente pela fonte vS . Ou seja, durante o funcionamento normal, as impedâncias dos FCLs mostrados na Figura 2.1 (a) e (b) devem ter um valor.